周昌海，周海軍

（滁州學(xué)院機械與電氣學(xué)院，安徽滁州239000）

我國是世界茶葉生產(chǎn)量最大的國家，擁有大約5 000 年的茶葉歷史[1]. 茶葉種類繁多，其成分復(fù)雜，含有茶多酚、咖啡堿、茶氨酸、水、礦物質(zhì)元素、維生素等300多種化合物，其中大部分成分具有提神、醒腦、保健等功效，例如茶多酚能夠迅速溶解體內(nèi)脂肪，促進消化，達到減肥的療效[2]. 近紅外光譜分析結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法為茶葉的品質(zhì)模型判定提供了科學(xué)依據(jù)，克服了感官評審主觀性的不足. 劉明博等人[3]在1 100 ～2 500 nm處利用主成分分析法建立了大米中蛋白質(zhì)含量的模型. 趙宏波等[4]利用近紅外光譜法測定茶葉咖啡堿的含量，并且建立咖啡堿預(yù)測集模型R=0.999，RMSEP=0.242. 周子立、張瑜[5]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主成分分析法在近紅外波段建立了大米的不同產(chǎn)地識別模型，鑒別率達到100%.張民、李銀花結(jié)合PLS 建立了茶氨酸的化學(xué)值與預(yù)測值的相關(guān)關(guān)系圖，R=0.92，RMSEP=1.6%[6]，取得了一定的效果. 綜上所述，近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品檢測逐漸成熟.本文應(yīng)用近紅外光譜分析儀結(jié)合高斯平滑處理預(yù)處理方法、最小二乘法對鐵觀音茶葉進行分組，分別建立光譜吸收度和茶多酚含量校正集模型.該研究對茶葉中茶多酚含量快速無損檢測有一定的參考價值.

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗采用安徽地區(qū)鐵觀音茶樣品，25 ℃烘干至恒重，粉碎過150 目，按照國標(biāo)GB/T8313-2002（酒石酸亞鐵比色分光光度法）測定茶多酚化學(xué)值，配置成20 組不同茶多酚含量茶樣品. 其中12 組作為校正集樣品，8組作為預(yù)測集樣品.

1.2 實驗儀器

北京Zolix 公司生產(chǎn)的時間分辨紅外吸收光譜測量系統(tǒng)，波長范圍400 ～2500 nm，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)40，采樣間隔5 nm. 該系統(tǒng)主要由150 W溴鎢燈光源、可測液體SAC（樣品室）、Omni-λ200i光柵光譜儀、DInGaAs（制冷型銦鎵砷探測器）、DCS300PA數(shù)據(jù)采集放大器以及系統(tǒng)自帶光譜數(shù)據(jù)采集軟件（Zolix Scan AS 1.0），如圖1所示.

1.3 光譜數(shù)據(jù)采集

按照試驗要求搭建茶葉光譜檢測系統(tǒng)，保持室內(nèi)恒溫25 ℃，對校正集和預(yù)測集茶溶液進行光譜數(shù)據(jù)采集，每組樣品數(shù)據(jù)采集3次，取平均值作為待分析的光譜數(shù)據(jù). 由于近紅外波段譜信息較豐富，是茶葉中大部分化合物的基頻吸收帶.在此波段能夠明顯的觀察到化合物特征吸收峰的變化，從而提取茶葉光譜信息建立模型[7-8].圖2為近紅外波段1 800～2 300 nm處不同含量茶多酚的光譜吸收曲線.

圖1 時間分辨吸收光譜測量系統(tǒng)

圖2 不同茶多酚含量的鐵觀音茶溶液光譜吸收曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理是保證數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確的基本標(biāo)準(zhǔn)，其中常用的方法有：一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)、高斯平滑、小波變換、均值濾波、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量預(yù)處理（SNV）等方法[9-11]. 為了消除噪聲、光程差、茶葉形狀、儀器測量等因素對茶葉光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾，本文分別采用高斯平滑、一階導(dǎo)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量分布對茶葉原始光譜進行預(yù)處理，如表1所示.

由表1知：高斯平滑R和RMSEP優(yōu)于其他兩種預(yù)處理方法，實驗擬采用高斯平滑對原始光譜進行預(yù)處理，在近紅外波段結(jié)合偏最小二乘法[12]建立鐵觀音茶多酚光譜強度與化學(xué)值含量數(shù)學(xué)模型. 圖3為運用MATLAB 軟件進行高斯平滑處理后的不同茶多酚含量的鐵觀音茶溶液光譜吸收度曲線.

圖3 高斯平滑處理后的不同茶多酚含量的鐵觀音茶溶液光譜吸收度曲線

2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

由平滑處理后的光譜曲線得出：鐵觀音茶多酚在1 850 ～1 900 nm處和2 200 ～2 250 nm有明顯的特征吸收峰，同時也避開了水分子中O-H基團產(chǎn)生的干擾[13]. 試驗采集1 850 ～1 900 nm 與2 200 ～2 250 nm兩個波段范圍的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中，分析發(fā)現(xiàn)1 872 nm 與2 218 nm 處茶葉光譜出現(xiàn)一個強烈的吸收低谷，故選取此兩處波段分別建立光譜吸收度與含量的校正集模型，如圖4和圖5所示.

試驗對12組校正集樣品進行光譜數(shù)據(jù)采集，每組樣品測量3次，取平均值，在1 872 nm與2 218 nm處結(jié)合PLS建立鐵觀音茶多酚含量與光譜吸收度線性關(guān)系，得到不同特征吸收峰處茶多酚校正集模型參數(shù)方程：

其中A 表示光譜吸收強度（AU），P1和P2為模型線性擬合參數(shù)，C 代表各組份鐵觀音茶溶液茶多酚濃度（%），如表2所示.

表2 不同特征吸收峰處茶多酚校正集模型參數(shù)方程

由表2 知：1 872 nm 處茶多酚預(yù)測集模型的相關(guān)系數(shù)為0.962 4，均方根誤差為0.016 48，優(yōu)于2 218 nm 處建立的模型參數(shù). 為了驗證校正集模型的準(zhǔn)確度，建立預(yù)測集樣品茶多酚化學(xué)值與預(yù)測值相關(guān)關(guān)系圖（圖6），從圖6 中可以看出，運用表2 校正集模型參數(shù)方程對預(yù)測集茶樣品茶多酚含量進行預(yù)測與其化學(xué)值近似.

圖4 1872 nm處鐵觀音茶多酚光譜吸收度與含量的校正集模型

圖5 2218 nm處鐵觀音茶多酚光譜吸收度與含量的校正集模型

圖6 鐵觀音茶多酚化學(xué)值與預(yù)測值相關(guān)關(guān)系圖

3 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，茶葉的品質(zhì)檢測越來越受到關(guān)注. 本文采用安徽產(chǎn)地的鐵觀音茶葉，按照國標(biāo)方法測定茶多酚含量的化學(xué)值，在近紅外波段1 800 ～2 300 nm處提取茶葉光譜信息，經(jīng)過不同光譜預(yù)處理方法的對比，最終得出高斯平滑處理對茶葉模型分析具有更好的效果. 試驗在1 872 nm與2 218 nm 處結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法建立茶多酚定量分析模型，并且通過線性擬合參數(shù)的比較，表明1 872 nm 處校正集模型效果較優(yōu)，在此基礎(chǔ)上建立了鐵觀音化學(xué)值與預(yù)測值的相關(guān)關(guān)系圖.希望此研究可為茶葉品質(zhì)客觀評審檢測提供新的思路.